Измерение твердости по Роквеллу

Показатель твердости стали

Самый высокий показатель HRC не обязательно является лучшим.

Более твердая сталь, как правило, лучше держит кромку, чем более мягкая сталь, но она также с большей вероятностью трескается или выходит из строя. На самом деле, если она действительно твердая, она может разбиться, как стекло на бетоне!

Сталь, используемая при изготовлении ножа, также имеет большое отношение к тому, насколько хорошо нож будет удерживать кромку. Каждый отдельный стальной сплав имеет свой оптимальный диапазон, который уравновешивает твердость с производительностью и предназначением.

Так почему же показатель ножа по Роквеллу имеет значение? Что такое хорошая твердость по Роквеллу для ножа?

Твердость ножа очень важна с точки зрения его производительности и долговечности. Например, более твердая сталь с RC 58-62 будет держать кромку лучше, чем более мягкая сталь. Однако, эта же самая твердая сталь менее прочна и более склонна к растрескиванию или даже поломке

Некоторые кухонные ножи с высокой твердостью требуют особой осторожности, чтобы не повредить тонкую режущую кромку

Более мягкая сталь более долговечна за счет свой высокой упругости. В большинстве топоров и зубил используется более мягкая сталь, которая выдерживает удары, с которыми они сталкиваются в повседневной работе.

Поскольку карманные ножи и охотничьи ножи обычно не используются для строгания и рубки древесины, они выигрывают от использования более прочной стали, которая сохраняет отличную остроту для нарезки мягких материалов.

Однако, нож для выживания, к которому вы собираетесь приложить экстремальные усилия, только выиграет от твердости по Роквелу 55-58. Нож, который мог бы резать кости и твердую древесину, в первую очередь, должен быть прочным. Нож с более низкой твердостью может затупиться быстрее, но с большей вероятностью переживет большое количество ударов и механических повреждений.

Испытание по Роквеллу помогает производителям ножей уравновешивать три наиболее важных фактора, которые могут повлиять на качество их готовой продукции: твердость, гибкость и вязкость. Наличие этих трех факторов в правильном балансе позволяет им производить ножи для различных сфер использования.

Существует несколько различных аббревиатур, которые могут использоваться изготовителем ножей при указании твердости: HR, HRc, HR C, RC, Rc, C по шкале Роквелла, шкала твердости Роквелла C. Независимо от того, как написано о ножевой стали, все они ссылаются на одну и ту же шкалу С. Это может немного запутать, но просто знайте, что рейтинги сами по себе одинаковы – какое бы обозначение не использовал производитель.

Стэнли П. Роквелл был металлургом на заводе по производству шарикоподшипников в Новой Англии в 1919 году. Он разработал шкалу твердости для того, чтобы измерять твердость шариков для подшипников быстро, точно и с высокой повторяемостью.

Производители всего, начиная от пружин для часов и заканчивая колесами для поездов, давно нуждались в таком испытании и быстро применяли шкалу Роквелла для всех видов стали, а также других металлов, деталей. В конце концов, тест был адаптирован даже для испытаний неметаллических материалов – даже пластмасс.

Понятие

Данным термином в материаловедении называют механическое свойство, которое определяет устойчивость к разрушению под воздействием других, более плотных веществ. Иначе можно сказать так: это сопротивляемость деформациям от давления. При этом учитываются и пластичные, и упругие изменения.

От характеристики зависит множество процессов и условий:

• Износостойкость – это есть то, насколько долго может быть использован элемент. В том числе срок износа, поскольку для каждой детали, например автомобильной, наступает время, когда по естественным причинам ее нужно менять. Но чем тверже элемент, тем дольше он будет служить в определенных условиях.
• Возможность различных видов металлообработки – одни технологии применяются только к мягким сплавам, а другие могут быть использованы и для прочных.
• Сопротивление давлению и другим усилиям характерно для вала или подшипника, на которые действуют силы центробежная и трения.
• Способность использовать материал в качестве инструмента для более податливой поверхности. Инструментальная сталь является настолько крепкой, что применяется для изготовления фрез для фрезерных станков, сверл и прочих изделий.

Это далеко не полный перечень того, на что влияет твердость металла после того, как мы дали ему определение. Не каждое используемое вещество берется с одинаковыми характеристиками. Что делается прежде всего для увеличения данного параметра? Сперва берем сырье, очищаем от примесей, а затем подвергаем химической и температурной обработке. А именно: в состав добавляем различные легирующие компоненты, повышающие это качество, например:

• Хром. Увеличивается прочность и устойчивость к коррозии, незначительно уменьшается пластичность и подверженность магнитным силам. Если более 13% хрома, то сплав называют нержавеющим.
• Вольфрам. Очень сильно повышается содержание твердых соединений – карбидов. Дополнительное свойство – снижение хрупкости после отпуска.
• Ванадий. Тоже возрастает сопротивление деформациям.
• Марганец. Чтобы увидеть эффект, вещества должно быть не менее 1%. Резко взлетает стойкость к ударным нагрузкам.

От чего зависит твердость металлов по этому классу:

• От наличия легирующих добавок, перечисленных выше.
• От естественных свойств сырья.
• От термообработки. С этой целью помогает закалка – материал нагревают сверх определенной критической точки, кристаллическая решетка меняется, и после охлаждения закаленная сталь становится очень надежной.
• От цементации – способом диффузии образец насыщается углеродом. Такому методу подвергаются только низкоуглеродистые или легированные части.
• От старения – оно может быть естественным или искусственным. В первом случае со временем протекают процессы, которые не затрагивают микроструктуру, но важны на общем уровне. Во втором применяется термообработка с целью химического и термального увеличения срока эксплуатации – состаривание.
• От наклепывания на поверхность. Это пластическое изменение структуры вещества, приводящее к повышению прочности.
• От обработки лазером. Лазерная установка наплавляет прочный слой.

Кроме того, некоторые этапы металлообработки (прокатка, ковка и закалка) с изменением формы заготовки также приводят к улучшению качества.

Методы динамического определения твердости

Понятие твердости

Твердость – свойство материалов, характеризующее способность проникновения одного, более твердого, тела в другое. Также эта характеристика определяет устойчивость к пластической деформации или разрушению поверхностных слоев при оказании сильного давления.

Все методы определения твердости материалов можно разделить на несколько основных групп:

1. Статические. Подобные методы характеризуются тем, что нагрузка постепенно возрастает. Время выдержки может быть разным — все зависит от особенностей применяемого метода.
2. Динамические характеризуются тем, что нагрузка на образец подается с определенной кинетической энергией. При этом показатель твердости является менее точным, так как при динамической нагрузке возникает определенная отдача из-за упругости материала. Результаты подобных испытаний зачастую называют твердостью материалов при ударе.
3. Кинетические основаны на непрерывной регистрации показателей во время проведения испытаний, что позволяет получить не только конечный, но и промежуточный результат. Для этого применяется специальное оборудование.

Измерение твердости инструмента

Кроме этого, классификация методов определения твердости проводится по принципу приложенной нагрузки. Выделяют следующие способы испытания образца:

1. Вдавливание является на сегодняшний день наиболее распространенным способом определения рассматриваемого показателя.
2. При отскоке проводится замер того, как высоко боек отлетит от поверхности испытуемого образца. В данном случае просчет твердости проводится по показателю сопротивления упругой деформации. Методы подобного типа довольно часто применяются для контроля качества прокатных валиков и изделий с большими размерами.
3. Методы, основанные на царапании и резании, сегодня применяются крайне редко. Были они разработаны два столетия назад.

Как правило, в твердомерах есть деталь, которая оказывает воздействие на испытываемую заготовку. Примером можно назвать стальные шарики различного диаметра и алмазные наконечники с формой пирамиды. Некоторые из применяемых на сегодняшний день методов рассмотрим подробнее.

Преимущества твердомера МЕТОЛАБ 202

• Полностью автоматизированный процесс измерений.
• Возможность задания нижней/верхней границ измерений, звуковая сигнализация при выходе значений за установленные границы.
• Статистическая обработка результатов – вывод минимального/среднего/максимального значений.
• Перевод результатов измерений по шкалам Виккерса, Бринелля.
• Поправка на кривизну цилиндрических и шарообразных деталей.
• Интуитивное управление, русскоязычное меню.
• Большие удобные кнопки для ввода параметров измерения; яркий ЖК экран для считывания показаний
• Широкий диапазон измеряемых значений.
• Передача данных на ПК в виде электронных таблиц формата Excel для удобства обработки результатов.
• Встроенный мини-принтер для распечатки результатов измерений.

Как проверить качество вашего ножа без всяких экстремальных тестов?

Сегодня мы расскажем вам о том, как проверить качество ножа буквально за несколько минут. Некоторые из этих тестов можно проводить прямо в магазине, некоторые только дома. Сразу скажу, что в эффективности некоторых их этих тестов можно усомниться, но если очень хочется, то попробовать можно и их.

Как вообще выбирать нож

Перед покупкой ножа следует определиться, для каких целей он у вас будет использоваться. Если это будет острый резак, то не стоит тестить его слишком жёстко, минимальный угол заточки не выдержит подобных издевательств, какая бы сталь не была на этом ноже. Нужно понять, какую сумму вы можете потратить на нож. Два совершенно одинаковых с виду клинка из разных сталей будут и резать по-разному. Чем качественней сталь, тем большей стойкостью будет отличаться режущая кромка.

Многое зависит от того, какие у клинка спуски. Если нож планируется использовать в основном по продуктам, то скандинавские спуски – это не лучший вариант, хотя для универсального ножа они подойдут идеально. Сразу скажу по скандинавам – это не только моё мнение, что они являются лучшими универсальными ножами в мире, так получается, исходя из международной статистики.

Перед тем как купить нож, поинтересуйтесь у продавца, разрешить ли он протестировать нож на резучесть, хотя бы в «лайтовом» режиме. Никто не даст вам резать проволоку и «батонить» поленья, но газетку пошинковать должны разрешить.

Тесты, которые можно делать прямо в магазине

Самый простой тест, который можно сделать без предварительной подготовки, это проверка на бритьё волос на предплечье. Можно даже не спрашивать у продавца разрешения, просто проведите клинком по предплечью. Хорошо заточенный нож легко сбреет волосы. Не стоит бояться этого теста, хотя в первый раз проверять качество заточки на руке страшновато. Главное не нажимать лезвием на кожу и держать его под определённым углом. Словами это объяснить сложно, просто попробуйте, и всё у вас получится (только аккуратно!).

Измерение микротвердости

Метод измерения микротвердости регламентирован ГОСТ 9450. Определение микротвердости (твердости в микроскопически малых объемах) проводят при исследовании отдельных структурных составляющих сплавов, тонких покрытий, а также при из­мерении твердости мелких деталей. Прибор для определения микротвердости состоит из механизма для вдавливания алмазной пи­рамиды под небольшой нагрузкой и металлографического микроскопа. В испытываемую поверхность вдавливают алмазную пира­миду под нагрузкой 0,05…5 Н.

Микротвердость измеряют путем вдавливания в образец (изделие) алмазного индентора под действием статической нагрузки Р в течении определенного времени выдержки т. Число твердости определяют (как и по Виккерсу) делением приложенной нагрузки в Н или кгс на условную площадь боковой поверхности полученного отпечатка в мм2.

Основным вариантом испытания является так называемый метод восстановленного отпечатка, когда размеры отпечатков определяются после снятия нагрузки. Для случая, когда требуется определение дополнительных характеристик материала (упругое восстановление, релаксация, ползучесть при комнатной температуре и др.) допускается проводить испытание по методу невосстановленного отпечатка. При этом размеры отпечатка определяют на глубине вдавливания индентора в процессе приложения нагрузки.

Практически микротвердость определяют по стандартным таблицам дня конкретной формы индентора, нагрузки Р и полученных в испытании размеров диагоналей отпечатка.

В качестве инденторов используют алмазные наконечники разных форм и размеров в зависимости от назначения испытании микротвердости. Основным и наиболее распространенным наконечником является четырехгранная алмазная пирамида с квадратным основанием (по форме подобна индентору, применяющемуся при определении твердости по Виккерсу).

Число микротвердости обозначают цифрами, характеризующими величину твердости со стоящим перед ними символом H с указанием индекса формы наконечника, например, Н□ =3000. Допускается указывать после индекса формы наконечника величину прилагаемой нагрузки, например: Н□ 0,196 =3000 – число микротвердости 3000 Н/мм2, полученное при испытании с четырех гранной пирамидой при нагрузке 0,196 Н. Размерность микротвердости (Н/мм2 или кгс/мм2) обычно не указывают. Если микротвердость определяли по методу невосстановленного отпечатка, то к индексу формы наконечника добавляют букву h (Н□h).

Соотношение значений твердости

При сопоставлении значений твердости, полученных разными методами, между собой и с механическими свойствами материалов необходимо помнить, что приводимые в литературных источниках таблицы или зависимости для такого сопоставительного перевода являются чисто эмпирическими. Физического смысла такой перевод лишен, так как при вдавливании paзличных по форме и размерам инденторов и с разной нагрузкой твердость определяется при совершенно различных напряженных состояниях материала. Даже при одном и том же способе измерения твердости значение сильно зависит от нагрузки: при меньших нагрузках значения твердости получаются более высокими.

Выше были рассмотрены основные методы контроля твердости. Существуют и другие методики контроля, которые основаны на косвенных измерениях значений механических свойств. Например электрические, магнитные, акустические и т.д. Все эти методы основаны на составлении экспериментальных корреляционных таблиц “измеряемый параметр – параметр механических свойств”, где все параметры постоянны (химический состав металла, номер плавки, количество загрязнений), а меняются лишь табличные параметры. Такие методы на производстве практически не работают, т.к. например химический состав металлов по ГОСТам требуется в селекте, т.е. может быть в заданном пределе и меняться от плавки к плавке. Составление градуировочных таблиц на каждую партию металла – очень трудоёмкая работа.

Твердомеры ультразвуковые

К методам неразрушающего контроля и технической диагностики (МНК и ТД) относится контроль ультразвуковыми твердомерами.

Принцип действия инструмента

Принцип действия ультразвукового твердомера основан на использовании явления затухания колебаний (метод UCI — ультразвуковой контактный импеданс). Суть метода UCI заключается в следующем:

• алмазную пирамидку индентора прижимают к исследуемому образцу;
• обеспечивается постоянное усилие;
• возбуждаются упругие колебания.

По глубине продавливания определяется твёрдость: чем глубже индентор продавливает поверхность, тем меньше твёрдость образца.

Преимущества ультразвуковых твердомеров перед аналогами других типов

Ультразвуковые твердомеры имеют ряд преимуществ:

• производят измерение твердости изделий толщиной от 1мм, что является невозможным для динамических твердомеров;
• на месте проведения испытания (на поверхности изделия) остаётся маленький отпечаток. Поэтому, возможен контроль твёрдости шеек коленчатых валов, зеркальных поверхностей, ножей и т. д.;
• возможны измерения в широком диапазоне показателей твердости;
• комфорт при проведении испытаний.

Инструмент оснащается различными девайсами, позволяющими значительно повышать производительность и качество труда: графический индикатор, устройство контроля уровня заряда аккумуляторной батареи и т. д.

Дадим краткое описание популярных моделей ультразвуковых твердомеров.

Твердомер ультразвуковой «ТКМ-459С».

Твердомеры ультразвуковые «ТКМ-459С», «ТКМ-459М»

Измерительные инструменты предназначены для измерения твердости самых разных металлов. В том числе:

• поверхностно упрочнённых слоёв (например, цементация, закалка ТВЧ, азотирование и т. п.);
• гальванических покрытий (например, хром);
• наплавок и т. п.

Твердомеры монтируются во влагозащищенных (прорезиненных) и ударопрочных корпусах, которые позволяют применять их в самых тяжелых климатических условиях. Информация выводится на цветной графический OLED дисплей. Конструкция сохраняет эксплуатационные характеристики твердомера при отрицательных температурах, а дисплей снижает нагрузку на глаза оператора.

Диапазон измерений:

• по Роквеллу, HRC – 20…70;
• по Бринеллю, HB – 90…460;
• по Виккерсу, HV – 230…940.

Преимущества «ТКМ-459С» перед «ТКМ-459М»:

• на дисплей выводится много полезной дополнительной информации;
• количество результатов измерений, сохраняемых в памяти: ТКМ-459С, шт.: 12 400;
• ТКМ-459М, шт.: 6 000;
• статистический анализ результатов измерений и вывод его на дисплей, построение графиков;
• яркость дисплея и его цветовая палитра выбирается пользователем.

Твердомер ультразвуковой «МЕТ-У1»

Этот инструмент, дополнительно к возможностям «ТКМ-459С» и «ТКМ-459М», измеряет твёрдость по шкале Шора «D» (HSD) и определяет предел прочности на растяжение изделий из углеродистых сталей перлитного класса.

Диапазон измерения:

• по Роквеллу, HRC – 20…67;
• по Бринеллю, HB – 75…650;
• по Виккерсу, HV – 75…1000;
• по Шору, HSD – 23…102;
• измерения предела прочности, Rm – 378…1736.

Ультразвуковой твердомер «МЕТ-УД»

Ультразвуковой твердомер «МЕТ-УД» измеряет твёрдость по описанному выше методу UCI и по методу отскока (Лейба). Второй метод заключается в определении отношения скоростей индентора до и после соударения с поверхностью контролируемого изделия. Конструктивно он представляет собой комбинированный портативный твердомер, состоящий из пластикового электронного блока MET-УД и двух сменных датчиков:

• ультразвукового У1. Работает по методу UCI;
• динамического Д1. Работает по методу Лейба.

Благодаря этому, при помощи инструмента можно оценить изменение твердости закаленного слоя по глубине.

Инструмент экономически целесообразен, т.к. совмещает два твердомера в одном: МЕТ-УД = МЕТ-У1 + МЕТ-Д1.

Твердомер «УЗИТ-3»

Конструкция «УЗИТ-3» даёт возможность измерять твердость крупных и мелких изделий, в том числе, на участках с большой кривизной поверхности, вблизи краев и различных неровностей.

Диапазоны измерений:

• шкала Бринелля, HB: 80…450;
• шкала Роквелла, HRC: 20…70.

Габаритные размеры, мм: 140 х 65 х 25.